2024年1月29日，北京航空航天大学化学学院王华教授团队在Joule期刊上发表了一篇题为“A 110 Wh kg^–1 Ah-level anode-free sodium battery at –40℃”的研究成果。

该成果报道了一种低温无负极钠电池（Anode-free sodium battery）。作者通过亲钠集流体和弱溶剂化双盐电解质的协同设计使钠金属在低温下均匀成核和生长，实现了安时（Ah）级无负极软包电池，其在–40°C下可提供110 Wh kg^–1的能量密度。这项工作为在低温条件下实现高比能电池提供了一种有效的方法。论文通讯作者是王华；第一作者是朱乔楠。

开发极端条件下可使用的高比能二次电池具有重大的科学和实际意义。无负极电池由于其负极仅使用集流体，无活性材料质量，其“实际负极”是在首次充电过程中原位沉积形成，因此可大幅提高全电池能量密度。然而，实现低温无负极电池还面临着较大的挑战，这主要是受限于低温下碱金属沉积/剥离库仑效率（CE）较低。在低温工况下，离子扩散速率降低，去溶剂过程缓慢，从而导致成核电位高，金属成核小。在反复的沉积/剥离过程中，高反应性的小聚集体容易转化为“死金属”，这将降低低温下的CE。另外，由于固体电解质界面（SEI）层在低温下较脆，负极侧容易生长枝晶，这将减少电池的循环寿命。尽管无负极策略是构建高比能电池的一种有效途径，但其低温下CE低、电荷转移电阻大和SEI不稳定等问题仍有待解决。

这项工作中，王华教授团队通过等离子体处理集流体（p-Al@C）和弱溶剂化的双盐电解液协同设计，制备出低温无负极钠电池。该设计有利于在集流体表面生成富含B/F无机物的稳定SEI层和均匀的钠金属（Na）沉积。基于此，Na||p-Al@C半电池在–40°C下具有99.88%的超高CE，且无负极p-Al@C||Na₃V₂(PO₄)₃（磷酸钒钠）纽扣全电池在–40°C具有250 Wh kg^–1的高能量密度（基于正负极活性物质质量）。进一步制备出安时级无负极软包电池，其在–40°C下具有110 Wh kg^–1的高能量密度（基于整个软包电池质量）。

图1：低温无负极电池示意图。

图2：等离子处理涂炭铝箔的微结构表征以及SEI组分表征。

图3：低温无负极电池电解液的实验与理论分析。

图4：钠金属低温沉积/剥离性能。

图5：低温无负极全电池的电化学性能。

该工作为开发低温高比能电池提供了新途径。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.010